JPH06501232A - 炭素―炭素複合材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 炭素−炭素複合材料 本発明は炭素−炭素複合材料の製造方法と本発明の方法によって形成される複合 材料に関する。

航空機のブレーキ用の摩擦円盤などの製品の用途に使用される炭素−炭素複合材 料を製造する従来の確立された技術は、炭素−炭素複合材料がフェノール樹脂又 はピッチ等の有機材料の炭化を含む方法によって形成されようが、又は薬品蒸気 の浸透方法によって形成されようが、いずれにせよ長時間規模の製造工程を含む 。その結果として製品の製造原価は高くなる。

本発明は、より安価および／またはそれ程製造に長い時間を要しない炭素−炭素 複合材料の製造方法を提供せんとするものである。

本発明の一つの面によれば、この発明は、標準大気圧で少なくとも６００°Ｃの 温度に加熱した時に６０重量％以上の炭素を生じる一種のポリマー状物質を与え 、非−酸化性の雰囲気を提供する閉鎖容器の内部に該ポリマー状物質と炭素繊維 の混合物を与え、そして該混合物を閉鎖容器の中で少なくとも６００°Ｃに加熱 する一方で事実上−軸方向の圧縮の機械的負荷を加える為のプレス手段によって 混合物に圧縮力を作用させ、そして適用された温度と圧縮の機械的負荷を、混合 物が軟化状態にある間に混合物を団結（ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ、固化、強 化）させるに足る時間保持して事実上ポリマー状物質を完全に炭化し、そして少 なくとも炭化プロセスの間に該炭化物質を高密度化（緊密化）することから成る 炭素−炭素複合材料の製造方法を提供する。

プレス手段は、膜の形態、例えば、液体圧により作動される柔軟膜のような形態 であることができるが、しかし、当該膜は前記混合物の表面にのみ圧縮力を加え 、混合物内部のいかなる隙間にも流体が入り込むのを防止する。しかしながら、 より好ましくはプレス手段は定３ｉ（ｐｌａｔｅｎ）のような硬質膜である。

プレス手段によって直に作用を受けない混合物の表面領域の外向きの変形を抑止 する為に抑止手段を設けることもできる。

好ましくは本発明の方法は、混合物が前記の少な（とも６００℃の温度に曝され る、事実上、全体の時間に亙って圧縮の機械的負荷を適用することを含む。高め られた温度に保つ一方で、プレス手段は自由に移動して混合物の全体としての外 部容積に些かでも収縮が有ればそれを収容（吸収）し、および／または軟化状態 にある混合物を団結強化させるように混合物の上に作用するであろうと考えられ る。

実質的に大気圧に保つ為の手段を設けることもでき、炭化中に発生するガスがガ ス圧力の好ましくない増加を生じないことを保証する為のガス抜き手段を設けて も良い。それとも又は、炭化による副生物を、例えば真空系によって除去するよ うにしても良い。

炭素繊維の回りに炭素マトリックスを生成する先駆体物質として働く適当なポリ マー状物質は、総て高いチャー（ｃｈａｒ、チャーコール、木炭）収量を与える タイプの物、即ち、少なくとも６００℃に加熱した時に最初の重量の６０％以上 の炭素収率を与えるような物でなければならない。そのようなポリマー物質には 、熱可塑性ポリマーとピッチ（ピッチ溶液を含む）並びに熱硬化性ポリマー、及 びそれの混合物がある。特に適当な物質の例は、中間相（ｍｅｓｏｐｈａｓｅ） のビ・ソチ又は炭化直前の段階まで処理されたピッチであるグリーンコークスで ある。ピッチは普通は石炭産業と石油産業の生産物であるけれども、適当など・ ソチが有機物質を原料として合成されることも理解すべきであり、本発明はその ような合成された有機物質の使用も含む。

少なくとも６００℃に加熱した時に最初の重量の６０％以上の炭素を生ずるよう な一種の物質として選ばれたポリマー物質・・・・・・高チャー生産物質と呼ぶ ・・・・・は、加熱した時に、好ましくは少なくとも最初の重量の７０％、そし て更に好ましくは８０％又はそれ以上の炭素を生ずるような物である。

炭素繊維は炭素−炭素複合材料を成形する技術に熟練した人々にとって周知のど のような種類の物であっても良い。炭素繊維の適当な先駆体物質の例は、ポリア クリロニトリル、ピンチ及びレーヨンである。

炭素繊維は、ばらばらのステーブル長さの繊維でもあってもよく、または事実上 連続したフィラメントの形をした比較的長い繊維であっても良い。特に、フィラ メントの形をした物である時は、それは織布などの織物生地に成形される。それ とも又は、ステーブル及び／又はフィラメントの形をした繊維は、例えば、ニー ドルパンチングのような他の方法によって不織布に成形される。炭素繊維は典型 的には、１０比以上、好ましくは２５ｍｍ以上の長さを持たねばならない。

高められた温度条件の下に圧縮を受けるポリマー物質と炭素繊維の最初の組み合 わせは、複合材料の製造に熟練した人々にとってお馴染みの、例えば、常用の技 法によって成形される。これらの技法には、例えば、溶融したピッチ中への炭素 繊維の浸漬、ピッチ溶液を用いての繊維の織布の含浸、粉末状のピッチの繊維層 への添加、炭素繊維材料の層とプラスチック層及びその組み合わせを交互に重ね 合わせるフィルム積層法が含まれる。これらの技法は、同じくまたピッチ以外の ポリマー材料を使用する時にも適用することができる。ポリマー材料と炭素繊維 の最初の組み合わせは、同じくまたモールディングコンパウンド（成型材料）の 形であっても良い。

炭化の時に選ばれる実際の温度は、好ましくは、可塑的挙動を現わし、それによ ってプレス手段の作用下で機械的変形に対して敏感であるような物質が得られる ように選ばれる。

ポリマー物質の炭化に用いられる温度は少なくとも６００℃はなければならない とは言え、炭化の温度は普通は、炭素物質が蒸発しはじめる３０００℃を越える ことはないものと考えられる。

ポリマー物質と炭素繊維の混合物は、好ましくは炭素繊維がポリマー物質の内部 に均一に分布しているような物である。より好ましくは、マトリックスと埋封さ れた繊維の混合物は実質的に隙間が無いことが必要である。繊維は均一に分布さ れ、そして均一に分布する、しないに拘わらず繊維はランダムな配向を与えられ るか、又は、若しも得られる物質が一つ又は一つ以上の優先的方向に特定の性質 を持つことがめられるならば、それらの方向に優先的に配向される。

ポリマー物質と炭素繊維の混合物を形成するプロセスの一部として、又はそれに 続く後の工程として、混合物は型の中で成形される。成形（ｓｈａｐｉｎｇ、造 形）は型の中で行なわれ、その後、混合物を冷却した後に、予備成型段階の間に 用いられる、典型的には最高で３００℃に達するもっと高い温度に加熱する為の 炉に移される。それとも又は、予備成型段階と最高３００℃程度に達する加熱は 、その後に炭化の為にもっと高い温度に加熱するのに用いるのと同一の閉鎖容器 の中で行なうこともできる。

本発明の方法によって形成される生成物は、ポリマー物質を用いて再−含浸され 、６００℃以上の温度に再−加熱することができる。この場合、後で追加された ポリマー物質を炭素に転化して生成物の密度を更に高める為に、随意的にはここ でも又、−軸方向の圧縮の機械的負荷の下に加熱しても良い。それとも又は、生 成物の密度は、例えば化学気相成長によって増加することもできる。

例示の為に豆で、発明方法の二つの実施例を記述しよう。

実施例Ｉ 一層当たりの重量が３１．４グラムで、寸法が５Ｑｍｍｘ１００ｍｍの２０層分 のシートを、ＧＢ特許第１，４４７，０３０号に記述された方法に従って、端を 揃えて整列した炭素繊維をニードルパンチングすることによって製造した炭素繊 維の織布から切り取った。中間相のピッチ（例えば、Ａｓｈｌａｎｄ　Ｃｏｍｐ ａｎｙ、米国の製品）１５０グラムを８０メツシユ（英国標準篩４１０）よりも 細か（磨砕し各層の上に７．５グラム／層の割合で撒布した。次に、連続する層 の中の繊維の配向が交互に９０６になるようにして層を重ね合わせた。

得られた積層したプレフォーム（予備成形物）を４０ＭＰａ（メガパスカル）の 圧力下に層の厚さが２３ｍｍになる迄プレスし、プレスの定盤の間に挾んだ侭３ ００℃に加熱した。プレスの定盤を２３１１１ｍの間隔（隙間）に保つ一方、プ レフォームを３００℃の温度に１時間保持した。その後、プレフォームを冷却し 、プレスから取り出して秤量した。目方は１３６．７グラムであり、ピッチの幾 分かは撒布と取り扱いの間に失われ、各層当たり平均５．３グラムの減少した重 量を残した。

そのようにして成形されたプレフォームのブロックの密度は１．２７ｇ／ａｍ’ であった。

次に、プレフォームを炉に移し、炭化工程の副生物を除去し炭化した生成物の酸 化を防止する為に大気圧の窒素気流の雰囲気の中で、０．４ＭＰａの一定した一 方向の機械的圧縮力の下に、１．５℃／分の昇温速度で加熱した。１０００℃の 温度に達した後、炉の中の窒素気流を保った侭、炉を室温まで冷却した。次いで 、生成物を炉から取り出し、密度を測定した処、１　、４１　ｇ／ａｍ”であっ た。

実施例■ ５ハーネス（つうじ綜絖、はた織り機で経糸を上げ下げする仕掛け）のはた織り 機で織った朱子織のグレード０００９（例えば、Ｆｏｔｈｅｒｇｉｌｌ　Ｅｎｇ ｉｎｅｅｒｉｎｇ社、英国の製品）の炭素クロスの３４層分のシートを各が５０ ｍｍ　ｘ　５０ｍｍの寸法になるように裁断した。次ぎに、各層の上に８０メツ シユ（英国標準篩４１０）より細かいメ、シュサイズの粉末化したＡｓｈｌａｎ ｄのタイプ８０のピッチ（例えば、米国のＡｓｈｌａｎｃｌ　Ｃｏｍｐａｎｙの 製品）を撒布し、次いで、そのように処理した各層を各層の中の炭素繊維の配向 が交互に９０°になるように積み重ねた。

得られた積み重ねた層の集成体を、次ぎに熱盤の間で最高１２０ＭＰａの加圧下 に２６０℃で１２．５１１１１１の厚さに圧縮した。

得られたプレフォームの目方は４７．４グラムで、密度は１．３７ｇ／ａｍ’で あった。次ぎに、プレフォームを高温炉に移し、ここでも又、０．４ＭＰａの一 方向の機械的圧縮力を加えながら実施例Ｉに記述したのと同じやり方で炭化操作 に掛けた。機械的圧縮力を炭化の全加熱操作時間に亙ってプレフォームに連続し て加えた。その後、炉を自然冷却してから得られた生成物を炉から取り出して、 その密度を測定した処、１．５６　ｇ／ｃｍ’であった。

本発明の方法は、炭素−炭素複合材料を数週間または数箇月の単位ではなく数日 という単位の短い期間で製造するのを可能にするものと期待できる。従って、特 に高価な加熱炉の利用に関して実質的なコスト利益が生ずる。本発明の方法によ って形成される複合材料は、航空機の環状の摩擦ディスクのような航空宇宙産業 の製品（但し、それらに限定されない）の製造に特に適している。

補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成　５年　１月１９日

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. １．標準大気圧に於いて少なくとも６００℃の温度に加熱した時に、６０重量％ を超える炭素を生じる種類のポリマー物質を準備し、該ポリマー物質と炭素繊維 との組み合わせを非−酸化性の環境を提供する閉鎖容器の内部に準備し、そして 閉鎖容器中の該組み合わせを少なくとも６００℃の温度に加熱する一方で、該組 み合わせに事実上一軸方向の圧縮の機械的負荷を加える為にプレス手段によって 圧縮力を作用させ、そして適用された温度と圧縮の機械的負荷を、該組み合わせ が軟化状態にある間に該組み合わせを団結させるに足る時間保持してポリマー物 質を事実上完全に炭化し、少なくとも炭化工程の間にポリマー物質の密度を増加 することから成る炭素−炭素複合材料の製造方法。
2. ２．プレス手段によって作用されない組み合わせ物質の表面領域の外向きの変形 を抑止する為に抑止手段が設けられている請求の範囲第１項記載の方法。
3. ３．ポリマー物質腕炭素繊維の組み合わせを、該組み合わせが３００℃以下の温 度に加熱される予備−炭化段階の間に希望する形状を採るようにさせる請求の範 囲第１項または第２項に記載の方法。
4. ４．ポリマー物質が熱可塑性材料である請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか 一つに記載の方法。
5. ５．ポリマー物質が熱硬化性材料である請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか 一つに記載の方法。
6. ６．ポリマー物質がピッチである請求の範囲第４項又は第５項に記載の方法。
7. ７．ポリマー物質がピッチ溶液である請求の範囲第６項記載の方法。
8. ８．該ピッチが中間相（ｍｅｓｏｐｈａｓｅ）のピッチである請求の範囲第６項 又は第７項に記載の方法。
9. ９．ポリマー物質が樹脂（レジン）である請求の範囲第４項または第５項に記載 の方法。
10. １０．ポリマー物質が、該ポリマー物質を炭化した時にその最初の重量の７０％ 以上の炭素を生じる種類の物質である請求の範囲第１項乃至第９項のいずれか一 つに記載の方法。
11. １１．ポリマー物質が、炭化した時にその最初の重量の少なくとも８０％の炭素 を生じる請求の範囲第１０項記載の方法。
12. １２．該ポリマー物質が団結と炭化のプロセスの前に炭素繊維と組み合わせられ る請求の範囲第１項乃至第１１項のいずれか一つに記載の方法。
13. １３．ポリマー物質と炭素繊維の組み合わせが、ポリマー物質の内部に炭素繊維 が事実上均一に分布されている形態の物である請求の範囲第１項乃至第１２項の いずれか一つに記載の方法。
14. １４．ポリマー物質と炭素繊維が、溶融したピッチの中に炭素繊維を浸漬するこ とによって一緒に組み合わせられる請求の範囲第１項乃至第１３項のいずれか一 つに記載の方法。
15. １５．炭素繊維がピッチ溶液を含浸した布帛の形をしている請求の範囲第１項乃 至第１３項のいずれか一つに記載の方法。
16. １６．ピッチが粉末化された形で炭素繊維の層に添加される請求の範囲第１項乃 至第１３項のいずれか一つに記載の方法。
17. １７．炭素繊維材料の層とプラスチックの層を組み合わせる為にフィルム積層法 が使用される請求の範囲第１項乃至第１３項のいずれか一つに記載の方法。
18. １８．該炭素繊維が少なくとも１０ｍｍの繊維長を有する請求の範囲第１項乃至 第１７項のいずれか一つに記載の方法。
19. １９．該炭素繊維が少なくとも２５ｍｍの繊維長を有する請求の範囲第１項乃至 第１８項のいずれか一つに記載の方法。
20. ２０．請求の範囲第１項乃至第１９項のいずれか一つに記載の方法によって製造 される炭素−炭素複合材料。
21. ２１．請求の範囲第２０項記載の方法によって製造される炭素−炭素複合材料か ら成る環状の摩擦ディスク。